ＤｉｒｅｃｔＳｈｏｗ視頻采集系統

[摘要] 目前，多媒體技術飛速發展，各行業對多媒體技術的應用也越來越廣泛，傳統的視頻采集技術存在著一定的局限性，不能很好的應用于當前的視頻系統。本文提出了一種基于DirectShow的視頻采集系統，克服現狀。本文采用的一種基于DirectShow的視頻采集系統支持多種格式的視頻文件的捕捉和回放，也支持使用Windows驅動模型(WDM)設備或過去的VFW設備。在開發過程中是基于組件對象模型(COM)，通過編寫COM客戶程序來實現視頻的采集回放等功能。在具體實現過程中通過編寫Filter來實現各功能模塊，最后把各功能模塊通過Filter Graph組建起來。

[關鍵詞] DirectShow 視頻采集 COM

一、引言

隨著多媒體技術的不斷發展，與之相關的軟件與硬件層出不窮，現在與多媒體視頻會議（Video Conference）、視頻對話相關的軟硬件正成為人們關注的熱點應用。而在這些應用中無不涉及視頻數據的采集。

傳統的視頻采集技術存在諸多的局限性，無法很好地應用于當前的各類視頻系統。針對這一現狀，本文提出了一種先進的基于DirectShow的視頻采集系統。該系統充分利用DirectShow與WDM視頻采集卡的良好集成特性，采用組件對象模型的系統架構，克服了傳統視頻采集技術的不足，在實際應用中取得了滿意的效果。

二、DirectShow技術

微軟DirectShow是微軟windows平臺上的流式媒體體系結構。DirectShow提供媒體流的高質量的捕捉與回放。它支持多種格式，包括高級流格式，活動圖片專家組格式，音頻-視頻交叉格式，第三層mpeg格式(mp3)和wav文件格式。他也支持使用windows驅動模型設備或老的windows視頻設備的捕捉。DirectShow與其他DirectX技術集成于一體，自動感覺和使用視頻和音頻硬件加速，同時也支持沒有硬件加速的系統。

DirectShow簡化了媒體回放，格式轉換和捕捉任務。它是基于控件對象模型(com）的。要寫DirectShow應用，就必須理解com客戶編程。就絕大多數應用而言，不必實現com對象。DirectShow提供了你需要的控件。（如果要通過寫自己的控件來擴展DirectShow的功能，必須把他們作為com對象來實現。）

1.COM技術

在DirectShow技術當中，一般也把COM組件叫做Filter，它一般分成三類:源過濾器(Source filter）、轉換過濾器(Transform filter）、提交過濾器（Rendering filter），用來處理流媒體數據。Filter帶有輸入、輸出針角(pin)，或二者兼而有之。Filter通過向文件讀寫、修改數據和顯示數據到輸出設備上來操作流媒體。為了完成整個任務，必須要將所有的Filter連接起來，這三種Filter組成了過濾器圖表管理器（Filter graph manager）。

源過濾器、轉換過濾器、提交過濾器分別完成數據提供、數據格式轉換(壓縮編碼等)和數據渲染和回放功能。所以，為了實現在WIN32系統下的視頻采集，我們首先要構造出一個適當的過濾器圖表，然后通過應用程序對過濾器圖表的管理來完成視頻采集的功能。

2.DirectShow技術

在一般的軟件開發工具中(比如VB，VC)都可以直接調用windows系統下的MCI控制接口)函數或者媒體播放控件（WMP等），設定相關的文件名等屬性就可以實現視頻的捕捉或回放。隨著多媒體技術的迅速發展，各種壓縮算法在該領域的應用，MCI技術越來越顯的力不從心，最明顯的是它不支持可變比特率的壓縮算法，對于處理DVD等近年出現的多種新的媒體格式已顯得無能為力。隨后，微軟又適時推出了建立在DirectX之上的DirectShow技術，它也是一種API（應用程序接口），每個DirectX部件都是用戶可調用的API的總和，通過它應用程序可以直接訪問計算機的硬件。支持來自本地或網絡的各種視頻、音頻壓縮格式的媒體文件的解碼和回放，可以從設備上捕捉多媒體流，也可以處理各種壓縮算法處理的流媒體。這些格式包括:MPEG的音頻和視頻標準、音頻和視頻交互標準（AVI）、WAVE、MIDI和高級流格式ASF。

DirectShow的基本原理是多媒體數據在過濾器圖表中流動，通過過濾器圖表中各過濾器（Filter）實現在功能，最終實現多媒體數據在提交過濾器中的顯示和回放。

(1)國內研究狀況。目前，國內研究此類項目已經相對成熟，主要用C++編程工具對其進行開發。一般用Filter來完成各種功能。Filter是一種進程內的COM組件。DirectShow SDK提供了一套基類源代碼，這些源代碼可以大大降低開發Filter的難度。

DirectShow位于應用層中，它使用Filter Graph的模型來管理整個數據流的處理過程；參與數據處理的各個功能模塊是Filter;各個Filter 在Filter Graph中按一定的順序連接成一條“流水線”協同工作。源過濾器主要負責取得數據，數據源可以是文件、因特網、或者計算機里的采集卡、數字攝像機等，然后將數據往下傳輸；轉換過濾器主要負責數據的格式轉換、傳輸;提交過濾器主要負責數據的最終去向，最終可以將數據送給聲卡、顯卡進行多媒體的演示，也可以輸出到文件進行存儲。

(2)國外研究狀況。與國內相同，許多國外的軟件設計師也是利用Filter來實現各種功能。DirectShow最初是為C++應用程序設計的（也可以使用C語言）使用微軟的Visual Basic語言，可以訪問DirectShow API的一個很大的子集，但對VB的支持并不完全，如使用微軟的JScript，DirectShow也支持基于script的DVD應用程序。使用Borland Delphi書寫DirectShow應用程序也是可能的，但是，微軟的軟件開發包(SDK)文檔沒有關于該部分的參考資料。

三、基于DirectShow的視頻采集系統

基于DirectShow的視頻采集系統主要設計目的是簡化建立基于Windows平臺的數字媒體應用程序的設計任務。并使它無需涉及數據傳輸，硬件通用性，媒體同步等等諸多復雜問題。為了完成所需的音視頻流的處理，DirectShow應用了DirectDraw和DirectSound技術。這些技術可以有效率將數據圖像和音頻還原(render)到用戶的顯卡和聲卡上去。DirectShow通過壓縮媒體流上的時間標記(time-stamped)來實現媒體同步重放。為了能夠處理不同可能出現的數據源、數據格式以及硬件系統，DirectShow采用了一種標準化結構體系。

在DirectShow標準結構體系中，DirectShow過濾器與控制、多樣化的設備、本地文件系統、TV調頻和視頻捕獲卡、VFW編碼器、視頻顯示卡(通過DirectDraw)和顯卡進行交互。DirectShow也為幾種文件格式提供本地壓縮和解壓過濾器。

1.系統構架

對本視頻采集系統，可以簡單的把系統流程概括成如下兩點:USB攝像頭:視頻捕獲→視頻處理轉換→視頻存儲;本地視頻:視頻文件打開顯示→視頻壓縮轉換等處理→視頻存儲

2.系統實現

開發DirectShow應用程序，一般有三個階段:第一階段，創建一個Filter Graph Manager組件;第二階段，根據實際的應用，創建一條完整的Filter鏈路。比如播放一個本地文件（在這個階段，構建Filter鏈路之前，為了證明構思中的Filter鏈路是切實可行的，首先要在GraphEdit中驗證，然后再以GraphEdit中的Filter鏈路為模型在程序中實現）;第三階段，調用Filter Graph Manager上（或者直接在某個Filter上)的各個接口方法進行控制，并且完成Filter Graph Manager與應用程序的事件交互。

(1)具體應用設計。前面講到了源過濾器、轉換過濾器、提交過濾器的簡單功能，它們分別完成數據提供、數據格式轉換（壓縮編碼等）和數據渲染和回放功能。所以，為了實現在WIN32系統下的視頻采集，我們首先要構造出一個適當的過濾器圖表，然后通過應用程序對過濾器圖表的管理來完成視頻采集的功能。

這里我們一般需要2個～3個過濾器，這幾個過濾器分別是:

a.Video Capture Filter 采集設備Filter

b.Smart Tee Filter 將沒有Preview引腳Filter的Capture引腳分為兩支數據流（可選）

c.Video Venderer 視頻渲染及回放Filter

通過上面3個過濾器，我們可以構造出一個完整的視頻采集過濾器圖表（如圖）

圖表構造出來后，接下來就剩下具體的實現了，我們只需依次構造每個Filter，然后將各信Filter的Pin按序相連即可完成圖表的構造。最后，我們通過應用程序向圖表發送命令（通過圖表管理器完成）來控制整個視頻采集流程。

(2)視頻捕捉。如何從視頻設備進行視頻捕捉？在所設計的系統中，有個功能就是從USB攝像頭中捕獲視頻，換句話說就是從視頻設備中進行視頻捕捉。基于DirectShow的視頻采集系統中就要充分利用DirectShow本身的功能進行設計。

在DirectShow的filter中，有一類Capture Filter，它一般代表的是捕捉卡等硬件設備，其實它就是DirectShow與設備的Driver之間的接口。因為Filter通過DeviceIoctl函數實現交互，使得應用程序員可以通過DirectShow的Filter直接與捕捉設備的Driver進行通信。

我們只需將Capture Filter加入Filter Graph中，在通過其提供的接口函數就可以捕捉我們需要的視頻或音頻數據。

另外，如何在媒體播放過程中捕捉視頻？Sample Grabber Filter是Transform filter的一種，它提供了一些接口能夠檢索（retrieve）在Filter Graph中傳遞的數據樣本（samples），從而實現對播放過程中數據流的控制。比如通過IsampleGrabber::GetCurrentBuffer就可以得到當前的圖像幀，進而將其保存為文件或者顯示在指定的地方。在陸其明老師編寫的《DirectShow開發指南》一書中，也有詳細介紹圖片的抓取，有種簡單的方法就是使用IBasicVideo::GetCurrentImage接口的方法。

3.實驗結果及分析

本系統采用COM編程技術，利用VC++編程語言，實現了視頻采集儲存等功能，在實際運用中簡單方便。它能進行視頻的采集存儲等一些功能，同時也支持AVI，MPEG等格式的視頻的播放，大致分成幾個功能塊:

(1)本地視頻播放:可以選擇本地AVI和MPEG格式的視頻進行播放，并對其某一楨畫面進行捕獲與存儲。

(2)USB攝像頭捕獲視頻:通過USB攝像頭，進行視頻的采集，并可以自定義對所捕獲到的視頻進行保存。

(3)圖像存儲:可以對所捕獲或播放的視頻中的某一楨畫面進行存儲。

(4)渲染功能:通過Filter對視頻進行色調的處理渲染。

當然，本系統還存在一定的問題，需要進一步的改進，在今后會做更深的研究，彌補現在的不足之處。

四、結束語

多媒體技術已經越來越被人們所重視，在傳統的視頻采集技術存在的局限性也越來越明顯，無法很好地應用于當前的各類視頻系統，因此先進的視頻系統必定會取而代之。

本文所提出的一種基于DirectShow的視頻采集系統，充分利用DirectShow與WDM視頻采集卡的良好集成特性，采用組件對象模型的系統架構，克服了傳統視頻采集技術的不足，在以后的應用當中必將取得重要地位。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”